DE102019135330A1 - Method for operating a reciprocating piston engine - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine (1), die eine Kurbelwelle (3), wenigstens einen Zylinder (4), wenigstens einen in dem Zylinder (4) zwischen einem unteren Totpunkt (UT) und einem oberen Totpunkt (OT) in einer Hubrichtung (z) hin und her bewegbaren Kolben (5) und wenigstens ein Pleuel (6) aufweist, mittels welchem der Kolben (5) mit der Kurbelwelle (3) verbunden ist, wobei in einen Brennraum (8) der Hubkolbenmaschine (1) ein Kraftstoff-Luft-Gemisch (10) eingebracht und durch den Kolben (5) verdichtet wird, bis sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch (10) entzündet und unter Gleichraumbedingungen im Brennraum (8) verbrennt, in den ein Pilotkraftstoff (11) eingebracht und verbrannt wird, dessen Verbrennung eine Niedertemperaturreaktion und eine dieser nachfolgende Hochtemperaturreaktion aufweist, wobei die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches (10) unter Gleichraumbedingungen durch den Zeitpunkt der durch die Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs (11) erfolgten Wärmefreisetzung und/oder durch die Menge der durch die Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs (11) freigesetzten Wärme gesteuert wird.Method for operating a reciprocating piston machine (1) which has a crankshaft (3), at least one cylinder (4), at least one in the cylinder (4) between a bottom dead center (BDC) and a top dead center (TDC) in a stroke direction (e.g. ) has reciprocating piston (5) and at least one connecting rod (6) by means of which the piston (5) is connected to the crankshaft (3), with a fuel-air in a combustion chamber (8) of the reciprocating piston engine (1) Mixture (10) is introduced and compressed by the piston (5) until the fuel-air mixture (10) ignites and burns under constant space conditions in the combustion chamber (8), into which a pilot fuel (11) is introduced and burned, the combustion of which has a low-temperature reaction and a subsequent high-temperature reaction, the combustion of the fuel-air mixture (10) under constant space conditions by the time at which the low-temperature reaction of the pilot fuel (11) produces heat ice formation and / or is controlled by the amount of heat released by the low-temperature reaction of the pilot fuel (11).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, die eine Kurbelwelle, wenigstens einen Zylinder, wenigstens einen in dem Zylinder zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt in einer Hubrichtung hin und her bewegbaren Kolben und wenigstens ein Pleuel aufweist, mittels welchem der Kolben mit der Kurbelwelle verbunden ist, wobei in einen Brennraum der Hubkolbenmaschine ein Kraftstoff-Luft-Gemisch eingebracht und durch den Kolben verdichtet wird, bis sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet und unter Gleichraumbedingungen im Brennraum verbrennt, in den ein Pilotkraftstoff eingebracht und verbrannt wird, dessen Verbrennung eine Niedertemperaturreaktion und eine dieser nachfolgende Hochtemperaturreaktion aufweist.The invention relates to a method for operating a reciprocating piston machine which has a crankshaft, at least one cylinder, at least one piston that can be moved back and forth in a stroke direction in the cylinder between a lower dead center and an upper dead center, and at least one connecting rod by means of which the piston is connected the crankshaft is connected, a fuel-air mixture being introduced into a combustion chamber of the reciprocating piston engine and compressed by the piston until the fuel-air mixture ignites and burns under constant space conditions in the combustion chamber, into which a pilot fuel is introduced and burned, the combustion of which has a low-temperature reaction and a subsequent high-temperature reaction.
Unter der spezifischen Wärmekapazität eines Gases versteht man Cv als isochore spezifische Wärmekapazität im Sinne eines Verhältnisses aus zugeführter Wärme und bewirkter Temperaturerhöhung bei konstantem Volumen während der Prozessführung sowie Cp als isobare spezifische Wärmekapazität im Sinne eines Verhältnisses aus zugeführter Wärme und bewirkter Temperaturerhöhung bei konstantem Druck während der Prozessführung.The specific heat capacity of a gas is understood to mean Cv as the isochoric specific heat capacity in the sense of a ratio of the supplied heat and the temperature increase caused at constant volume during the process, and Cp as the isobaric specific heat capacity in the sense of a ratio of the heat supplied and the temperature increase caused at constant pressure during the Litigation.
Der allgemeine Zusammenhang vereinfacht sich für ideale Gase wie folgt:
Die bedeutungsvollen Wärmekraftmaschinen Gasturbine und Verbrennungsmotor arbeiten in der Regel im Gleichdruckprozess, also mit der isobaren Wärmekapazität Cp. Mittlerweile arbeiten Verbrennungsmotoren auch im Seiliger-Prozess, der eine Überlagerung des Gleichdruckprozesses und des Gleichraumprozesses darstellt. Der reale thermodynamische Gleichraumprozess erzeugt in der Regel um mehr als 30% höhere Verbrennungsdrücke, die sich vereinfacht wie folgt berechnen:
Vc = Brennraum-Volumen
Q_Brennstoff = Wärmemenge pro Arbeitshub und Zylinder
Beispiel: für 1 mg Diesel ist Q_Brennstoff = 42,3 J
Vc = combustion chamber volume
Q_Fuel = amount of heat per working stroke and cylinder
Example: for 1 mg of diesel, Q_fuel = 42.3 J.
Bei Verbrennungsmotoren ist der Gleichraumwirkungsgrad deutlich höher als der Gleichdruckwirkungsgrad.In internal combustion engines, the constant space efficiency is significantly higher than the constant pressure efficiency.
Der effektive Gleichdruckwirkungsgrad liegt bei Saugmotoren zwischen 30% und 35% und bei aufgeladenen Motoren zwischen 40% und 45%. Der effektive Gleichraumwirkungsgrad erreicht bei Saugmotoren bis zu 45% (0% AGR) und aufgeladenen Motoren 53% (0% AGR) und mehr (AGR = Abgasrückführung).The effective constant pressure efficiency is between 30% and 35% for naturally aspirated engines and between 40% and 45% for supercharged engines. The effective constant space efficiency reaches up to 45% (0% EGR) and supercharged engines 53% (0% EGR) and more (EGR = exhaust gas recirculation) with naturally aspirated engines.
Um weiter höhere effektive Wirkungsgrade bei Saugmotoren einzustellen (beispielsweise > 36%) muss der Gleichraumgrad des Verbrennungsprozesses erhöht werden. Eine Erhöhung des Gleichraumgrades führt aber zu einer zeitweisen Instabilität der Verbrennung, da im Brennraum ein Teil der Ladung, d.h. des Kraftstoff-Luft-Gemisches, im Gleichdruckprozess verbrennt, wohingegen bei einem anderen Teil der Ladung an einem anderen Ort im Brennraum eine Gleichraumverbrennung stattfindet. Dies führt zu großen Drucksprüngen im Brennraum, was sich als starkes Klopfen bemerkbar macht.In order to set higher effective efficiencies in naturally aspirated engines (for example> 36%), the degree of uniformity of the combustion process must be increased. However, an increase in the degree of constant space leads to a temporary instability of the combustion, since part of the charge, i.e. the fuel-air mixture, burns in the combustion chamber in the constant pressure process, whereas with another part of the charge, constant space combustion takes place at a different location in the combustion chamber. This leads to large pressure jumps in the combustion chamber, which is noticeable as strong knocking.
Erst eine nahezu vollständige Gleichraumverbrennung stabilisiert den Prozess wieder, wobei insbesondere das Klopfen, welches durch die parallel ablaufenden Gleichdruck- und Gleichraumprozesse im Brennraum verursacht wurde, nun durch die hohen Druckanstiegsraten von mehr als 30 bar / Grad Kurbelwellenwinkel (
Ein stabiler Gleichraumprozess liegt vor, wenn der effektive Wirkungsgrad bei Saugmotoren im Volllastbereich über 42% und bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren über 52% erreicht.A stable constant space process exists when the effective efficiency of naturally aspirated engines in the full load range reaches over 42% and with supercharged combustion engines over 52%.
Die Realisierung und Steuerung des Gleichraumprozesses im Verbrennungsmotor erweist sich als sehr schwierig vor allem im Volllastbereich. Um eine vollständige Gleichraumverbrennung zu erzeugen, muss die Verbrennung bei Vc = const. erfolgen und das homogene Kraftstoff-Luft-Gemisch im gesamten Brennraum oder Volumen Vc des Brennraums gleichzeitig gezündet werden.The implementation and control of the constant space process in the internal combustion engine proves to be very difficult, especially in the full load range. In order to produce a complete constant-space combustion, the combustion must take place at Vc = const. take place and the homogeneous fuel-air mixture in the entire combustion chamber or volume Vc of the combustion chamber are ignited simultaneously.
Da die Verbrennung beim Otto- und Dieselmotor durch den Lauf einer Flammfront charakterisiert ist, stellt sich keine Gleichraumverbrennung ein, sondern eher eine Mischform (wie z.B. der Seiliger-Prozess).Since the combustion in gasoline and diesel engines is characterized by the course of a flame front, there is no constant-space combustion, but rather a mixed form (such as the Seiliger process).
Das bekannteste Gleichraumbrennverfahren ist das HCCI-Verfahren. Bei der homogenen Selbstzündung wird ein homogenes, mageres Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum eingebracht, das sich während des Verdichtungstaktes gleichzeitig im gesamten Brennraum entzündet. Der Energieumsatz ist so schnell, dass die Verbrennung bei konstantem Volumen (Vc) stattfindet und damit gilt:
Bei gleicher Brennstoffmenge (Q) ist der Verbrennungsdruck um mehr als 30% höher als bei der Flammfront-Verbrennung (Gleichdruckprozess).With the same amount of fuel (Q), the combustion pressure is more than 30% higher than with flame front combustion (constant pressure process).
Der Nachteil beim HCCI-Verfahren ist neben den hohen Druckgradienten die mangelhafte Steuerung des Verfahrens.The disadvantage of the HCCI process, in addition to the high pressure gradients, is the inadequate control of the process.
Die Verbrennung beim HCCI-Verfahren läuft in einer Zweistufenzündung ab, und zwar zuerst in eine Niedertemperaturreaktion („cool flame“) und nach einer kurzen Pause erfolgt die Hochtemperaturreaktion („hot flame“) d.h. die eigentliche Verbrennung.The combustion in the HCCI process takes place in a two-stage ignition, first in a low-temperature reaction ("cool flame") and after a short pause, the high-temperature reaction ("hot flame") takes place, i.e. the actual combustion.
Somit besteht der Wunsch, eine reale thermodynamische Gleichraumverbrennung des zuvor eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches mit der spezifischen Wärmekapazität Cv in der wirkungsgradoptimalen Kolbenstellung einzuleiten.There is thus a desire to initiate real thermodynamic constant-space combustion of the previously introduced fuel-air mixture with the specific heat capacity Cv in the piston position that is optimal for efficiency.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art die Gleichraumverbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches besser steuern zu können.Proceeding from this, the invention is based in particular on the object of being able to better control the constant-space combustion of the fuel-air mixture in a method of the type mentioned at the beginning.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung gegeben.This object is achieved according to the invention by a method according to
Gemäß der Erfindung ist oder wird ein Verfahren zum Betreiben einer Hubkolbenmaschine, die eine Kurbelwelle, einen oder wenigstens einen Zylinder, einen oder wenigstens einen in dem Zylinder zwischen einem unteren Totpunkt und einem oberen Totpunkt in einer Hubrichtung hin und her bewegbaren Kolben und ein oder wenigstens ein Pleuel aufweist, mittels welchem der Kolben mit der Kurbelwelle verbunden ist, wobei in einen Brennraum der Hubkolbenmaschine ein Kraftstoff-Luft-Gemisch eingebracht, vorzugsweise eingespritzt, und durch den Kolben verdichtet wird, bis sich das Kraftstoff-Luft-Gemisch, vorzugsweise selbst, entzündet und unter Gleichraumbedingungen im Brennraum verbrennt, in den ein Pilotkraftstoff eingebracht und verbrannt wird, dessen Verbrennung eine Niedertemperaturreaktion und eine dieser nachfolgende Hochtemperaturreaktion aufweist, insbesondere dadurch weitergebildet, dass die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches unter Gleichraumbedingungen durch den Zeitpunkt der durch die Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs erfolgten Wärmefreisetzung und/oder durch die Menge der durch die Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs freigesetzten Wärme gesteuert wird.According to the invention is or is a method for operating a reciprocating piston engine which has a crankshaft, one or at least one cylinder, one or at least one piston that can be moved back and forth in a stroke direction in the cylinder between a bottom dead center and a top dead center and a piston or at least one has a connecting rod, by means of which the piston is connected to the crankshaft, wherein a fuel-air mixture is introduced into a combustion chamber of the reciprocating piston engine, preferably injected, and is compressed by the piston until the fuel-air mixture, preferably itself, ignited and burned under constant space conditions in the combustion chamber, into which a pilot fuel is introduced and burned, the combustion of which has a low-temperature reaction and a subsequent high-temperature reaction, in particular further developed in that the combustion of the fuel-air mixture under constant-space conditions through the time of the low-temperature reaction of the pilot fuel is the release of heat and / or is controlled by the amount of heat released by the low-temperature reaction of the pilot fuel.
Durch den Zeitpunkt und/oder die Menge der Wärmefreisetzung der Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs lässt sich die Gleichraumverbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches steuern. Insbesondere ist eine sehr rasche und nahezu gleichzeitige Verbrennung des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches erzielbar. Dadurch ist es z.B. auch möglich, die Menge an durch die Verbrennung entstehenden Stickoxiden gering zu halten.The constant-space combustion of the fuel-air mixture can be controlled by the point in time and / or the amount of heat release of the low-temperature reaction of the pilot fuel. In particular, very rapid and almost simultaneous combustion of the fuel-air mixture introduced into the combustion chamber can be achieved. This also makes it possible, for example, to keep the amount of nitrogen oxides produced by the combustion low.
Der Pilotkraftstoff wird bevorzugt in den Brennraum eingespritzt. Beispielsweise wird der Pilotkraftstoff nach dem Einbringen oder Einspritzen des Kraftstoff-Luft-Gemisches und/oder vor der Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und/oder vor Erreichen des oberen Totpunkts in den Brennraum eingebracht oder eingespritzt. Bevorzugt weist der Pilotkraftstoff eine größere Zündwilligkeit als das Kraftstoff-Luft-Gemisch auf, insbesondere derart, dass sich der Pilotkraftstoff, vorzugsweise selbst, entzündet und eine Verbrennung des Pilotkraftstoffs insbesondere beginnt, bevor die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beginnt.The pilot fuel is preferably injected into the combustion chamber. For example, the pilot fuel is introduced or injected into the combustion chamber after the introduction or injection of the fuel-air mixture and / or before the ignition of the fuel-air mixture and / or before the top dead center is reached. The pilot fuel preferably has greater ignitability than the fuel-air mixture, in particular such that the pilot fuel ignites, preferably by itself, and combustion of the pilot fuel begins, in particular, before the combustion of the fuel-air mixture begins.
Die Menge des in den Brennraum eingebrachten Pilotkraftstoffs ist bevorzugt kleiner oder sehr viel kleiner als die Menge des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches. Beispielsweise wird der Pilotkraftstoff als solcher oder in Form eines Pilotkraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennraum eingebracht. Die Verbrennung des Pilotkraftstoffs erfolgt insbesondere im Brennraum.The amount of the pilot fuel introduced into the combustion chamber is preferably smaller or very much smaller than the amount of the fuel-air mixture introduced into the combustion chamber. For example, the pilot fuel is introduced into the combustion chamber as such or in the form of a pilot fuel-air mixture. The combustion of the pilot fuel takes place in particular in the combustion chamber.
Bevorzugt bewegt sich der Kolben in dem Zylinder zwischen dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt in Hubrichtung hin und her. Vorzugsweise ist oder wird die Kurbelwelle um eine Kurbelwellendrehachse drehbar oder gedreht. Vorteilhaft ist oder wird die Kurbelwelle mittels des Kolbens antreibbar oder angetrieben, vorzugsweise derart, dass die Kurbelwelle um die Kurbelwellendrehachse drehbar ist oder gedreht wird. Die Drehwinkelstellung der Kurbelwelle ist oder wird insbesondere durch den oder einen Kurbelwellenwinkel definiert und/oder charakterisiert. Der oder ein Kurbelwellenwinkel wird vorzugsweise mit dem Ausdruck KW abgekürzt wird. Der obere Totpunkt wird insbesondere mit dem Ausdruck OT abgekürzt. Ferner wird der untere Totpunkt vorzugsweise mit dem Ausdruck UT abgekürzt.The piston preferably moves to and fro in the cylinder between the bottom dead center and the top dead center in the stroke direction. The crankshaft is or is preferably rotatable or rotated about a crankshaft axis of rotation. The crankshaft is or is advantageously drivable or driven by means of the piston, preferably in such a way that the crankshaft is or is rotated about the crankshaft axis of rotation. The rotational angle position of the crankshaft is or is defined and / or characterized in particular by the or a crankshaft angle. The or a crankshaft angle is preferably abbreviated with the expression KW. The top dead center is abbreviated in particular with the term OT. Furthermore, the bottom dead center is preferably abbreviated with the expression UT.
Vorteilhaft ist der Brennraum, insbesondere in Hubrichtung, zwischen dem Kolben und dem Zylinder oder einem Kopf des Zylinders vorgesehen. Der Kopf des Zylinders wird z.B. auch als Zylinderkopf bezeichnet. Insbesondere ist der Brennraum innerhalb des Zylinders vorgesehen. Der Brennraum wird beispielsweise auch als Arbeitsraum bezeichnet. Das Pleuel wird z.B. auch als Schubstange bezeichnet. Anstelle des Ausdrucks „verdichten“ kann z.B. auch der Ausdruck „komprimieren“ verwendet werden und umgekehrt. Das Einbringen und/oder Einspritzen des Pilotkraftstoffs in den Brennraum wird insbesondere als Piloteinspritzung bezeichnet.The combustion chamber is advantageously provided, in particular in the stroke direction, between the piston and the cylinder or a head of the cylinder. The head of the cylinder is also referred to as the cylinder head, for example. In particular, the combustion chamber is provided within the cylinder. The combustion chamber is also referred to as the working chamber, for example. The connecting rod is also known as a push rod, for example. Instead of the expression “compress”, the expression “compress” can also be used and vice versa. The introduction and / or injection of the pilot fuel into the combustion chamber is referred to in particular as pilot injection.
Gleichraumbedingungen im Brennraum existieren bevorzugt in einem Bereich zwischen 10 Grad Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt bis 10 Grad Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt. Dies liegt insbesondere daran, dass sich in diesem Bereich das Volumen des Brennraums nicht oder nicht wesentlich ändert. Bevorzugt erfolgt die Entzündung und/oder die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Bereich zwischen dem oberen Totpunkt und 10 Grad Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt. Vorzugsweise erfolgt die Entzündung und/oder die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Bereich zwischen 3 Grad Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt und 10 Grad Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt. Somit kann insbesondere vermieden werden, dass die Verbrennung gegen die Bewegung des Kolbens arbeitet. Vorteilhaft erfolgt das Einbringen oder Einspritzen des Pilotkraftstoffs vor Erreichen des oberen Totpunkts und/oder bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht.Equal space conditions in the combustion chamber preferably exist in a range between 10 degrees crankshaft angle before top dead center to 10 degrees crankshaft angle after top dead center. This is due in particular to the fact that the volume of the combustion chamber does not change or does not change significantly in this area. The ignition and / or the combustion of the fuel-air mixture preferably takes place in a range between top dead center and 10 degrees crankshaft angle after top dead center. The ignition and / or combustion of the fuel-air mixture preferably takes place in a range between 3 degrees crankshaft angle after top dead center and 10 degrees crankshaft angle after top dead center. It can thus be avoided in particular that the combustion works against the movement of the piston. The introduction or injection of the pilot fuel advantageously takes place before the top dead center is reached and / or before the piston reaches the top dead center.
Die Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist bevorzugt eine kompressionsinduzierte Selbstentzündung. Vorzugsweise ist die Entzündung des Pilotkraftstoffs eine kompressionsinduzierte Selbstentzündung.The ignition of the fuel-air mixture is preferably compression-induced self-ignition. The ignition of the pilot fuel is preferably compression-induced self-ignition.
Die Entzündung und/oder die Verbrennung des Pilotkraftstoffs führt insbesondere zu einer Temperaturerhöhung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum und/oder zu einer Temperaturerhöhung im Brennraum. Bevorzugt endet die Verbrennung des Pilotkraftstoffs nach der Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches.The ignition and / or the combustion of the pilot fuel leads in particular to an increase in temperature of the fuel-air mixture in the combustion chamber and / or to an increase in temperature in the combustion chamber. The combustion of the pilot fuel preferably ends after the fuel-air mixture has ignited.
Bei der Hochtemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs wird insbesondere mehr Wärme freigesetzt als bei der Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs. Bevorzugt beginnt die Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs vor der Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Vorzugsweise erhöht die Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs die Temperatur des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum und/oder die Temperatur im Brennraum. Vorteilhaft erfolgt die Hochtemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs bei einer höheren Temperatur als die Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs. Insbesondere liegt zwischen der Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs und der Hochtemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs eine, vorzugsweise kurze, Pause. Bevorzugt wird die Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs durch das Verdichten des Kraftstoff-Luft-Gemisches, insbesondere zusammen mit dem Pilotkraftstoff, hervorgerufen und/oder eingeleitet und/oder induziert.In the high-temperature reaction of the pilot fuel, in particular, more heat is released than in the low-temperature reaction of the pilot fuel. The low-temperature reaction of the pilot fuel preferably begins before the fuel-air mixture is ignited. The low-temperature reaction of the pilot fuel preferably increases the temperature of the fuel-air mixture in the combustion chamber and / or the temperature in the combustion chamber. The high-temperature reaction of the pilot fuel advantageously takes place at a higher temperature than the low-temperature reaction of the pilot fuel. In particular, there is a, preferably short, pause between the low-temperature reaction of the pilot fuel and the high-temperature reaction of the pilot fuel. The low-temperature reaction of the pilot fuel is preferably brought about and / or initiated and / or induced by the compression of the fuel-air mixture, in particular together with the pilot fuel.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches eine Niedertemperaturreaktion und eine dieser nachfolgende Hochtemperaturreaktion auf. Insbesondere wird bei der Hochtemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches mehr Wärme freigesetzt als bei der Niedertemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Bevorzugt beginnt die Niedertemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches während oder nach der Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs. Vorteilhaft wird durch die Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs die Niedertemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches initiiert. Vorteilhaft erfolgt die Hochtemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches bei einer höheren Temperatur als die Niedertemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Insbesondere liegt zwischen der Niedertemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches und der Hochtemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches eine, vorzugsweise kurze, Pause. Die Hochtemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches bildet insbesondere einen Schwerpunkt der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und/oder wird z.B. auch als Verbrennungsschwerpunkt bezeichnet. Vorzugsweise treibt die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und/oder die Hochtemperaturreaktionen des Kraftstoff-Luft-Gemisches den Kolben an, der bevorzugt, insbesondere wiederum, die Kurbelwelle antreibt.According to one embodiment, the combustion of the fuel-air mixture has a low-temperature reaction and a high-temperature reaction that follows this. In particular, more heat is released in the high-temperature reaction of the fuel-air mixture than in the low-temperature reaction of the fuel-air mixture. The low-temperature reaction of the fuel-air mixture preferably begins during or after the low-temperature reaction of the pilot fuel. The low-temperature reaction of the fuel-air mixture is advantageously initiated by the low-temperature reaction of the pilot fuel. The high-temperature reaction of the fuel-air mixture advantageously takes place at a higher temperature than the low-temperature reaction of the fuel-air mixture. In particular, there is a, preferably short, pause between the low-temperature reaction of the fuel-air mixture and the high-temperature reaction of the fuel-air mixture. The high-temperature reaction of the fuel-air mixture forms, in particular, a focus of the combustion of the fuel-air mixture and / or is, for example, also referred to as the combustion focus. The combustion of the fuel-air mixture and / or the high-temperature reactions of the fuel-air mixture preferably drives the piston, which preferably, in turn, drives the crankshaft.
Bevorzugt laufen die Hochtemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs und die Hochtemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches, insbesondere zumindest zeitweise und/oder zeitweise und/oder zumindest teilweise und/oder teilweise und/oder im Wesentlichen, gleichzeitig ab. Vorzugsweise sind die Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs und die Niedertemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches vor der Hochtemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs und der Hochtemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches abgeschlossen.The high-temperature reaction of the pilot fuel and the high-temperature reaction of the fuel-air mixture preferably take place at the same time, in particular at least temporarily and / or temporarily and / or at least partially and / or partially and / or essentially at the same time. The low-temperature reaction of the pilot fuel and the low-temperature reaction of the fuel-air mixture are preferably completed before the high-temperature reaction of the pilot fuel and the high-temperature reaction of the fuel-air mixture.
Die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches unter Gleichraumbedingungen wird insbesondere durch den Zeitpunkt der durch die Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs erfolgten Wärmefreisetzung und/oder durch die Menge der durch die Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs freigesetzten Wärme gesteuert. Ergänzend oder alternativ wird die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches unter Gleichraumbedingungen z.B. durch den Zeitpunkt der durch die Niedertemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgten Wärmefreisetzung und/oder durch die Menge der durch die Niedertemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches freigesetzten Wärme gesteuert.The combustion of the fuel-air mixture under constant space conditions is controlled in particular by the point in time at which the heat is released by the low-temperature reaction of the pilot fuel and / or by the amount of heat released by the low-temperature reaction of the pilot fuel. Complementary or alternatively, the combustion of the fuel-air mixture under constant room conditions is controlled, for example, by the point in time of the heat release caused by the low-temperature reaction of the fuel-air mixture and / or by the amount of heat released by the low-temperature reaction of the fuel-air mixture.
Beispielsweise wird die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, insbesondere zusätzlich, durch den Zeitpunkt des Einbringens und/oder der Einspritzung des Pilotkraftstoffs und/oder durch die Zündwilligkeit des Pilotkraftstoffs gesteuert. Vorzugsweise ist oder wird das oder ein Verdichtungsverhältnis und/oder die oder eine Temperatur oder Ansaugtemperatur der Luft und/oder des Kraftstoff-Luft-Gemisches derart eingestellt, dass eine Verdichtungstemperatur von mindestens 720 K zwischen 12 Grad Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt bis 0 Grad Kurbelwellenwinkel vor dem oberen Totpunkt erreicht wird. Bei der vorgenannten Luft handelt es sich vorteilhaft um die Luft des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Bevorzugt wird die Luft des Kraftstoff-Luft-Gemisches, insbesondere vor dem Einbringen und/oder dem Einspritzen des Kraftstoff-Luft-Gemisches, beispielsweise aus der Umgebung angesaugt.For example, the combustion of the fuel-air mixture, in particular additionally, is controlled by the point in time of the introduction and / or the injection of the pilot fuel and / or by the ignitability of the pilot fuel. The or a compression ratio and / or the or a temperature or intake temperature of the air and / or the fuel-air mixture is or is preferably set such that a compression temperature of at least 720 K is between 12 degrees crankshaft angle before top dead center and 0 degrees crankshaft angle is reached before top dead center. The aforementioned air is advantageously the air of the fuel-air mixture. The air of the fuel-air mixture is preferably sucked in, for example from the environment, in particular before the introduction and / or injection of the fuel-air mixture.
Gemäß einer Ausgestaltung wird oder werden durch die Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs der Druck im Brennraum erhöht und/oder die Temperatur im Brennraum von mindestens 720 K auf 800 K bis 1000 K erhöht, sodass insbesondere die oder eine Niedertemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches initiiert wird.According to one embodiment, the low-temperature reaction of the pilot fuel increases the pressure in the combustion chamber and / or increases the temperature in the combustion chamber from at least 720 K to 800 K to 1000 K, so that in particular the or a low-temperature reaction of the fuel-air mixture is initiated.
Beispielsweise werden bei der Niedertemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs aus den Teilchen und/oder Molekülen des Pilotkraftstoffs, insbesondere reaktionsfreudige, Radikale gebildet, z.B. durch Aufspaltung (Cracken) der Moleküle des Pilotkraftstoffs. Insbesondere erfolgt bei der Hochtemperaturreaktion des Pilotkraftstoffs die chemische Umsetzung der vorgenannten Radikale, beispielsweise mit Sauerstoff, vorzugsweise aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch.For example, in the low-temperature reaction of the pilot fuel from the particles and / or molecules of the pilot fuel, especially reactive radicals are formed, e.g. by splitting (cracking) the molecules of the pilot fuel. In particular, during the high-temperature reaction of the pilot fuel, the aforementioned radicals are chemically converted, for example with oxygen, preferably from the fuel-air mixture.
Beispielsweise werden bei der Niedertemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches aus den Teilchen und/oder Molekülen des Kraftstoffs des Kraftstoff-Luft-Gemisches, insbesondere reaktionsfreudige, Radikale gebildet, z.B. durch Aufspaltung (Cracken) der Moleküle des Kraftstoffs. Insbesondere erfolgt bei der Hochtemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches die chemische Umsetzung der vorgenannten Radikale, beispielsweise mit Sauerstoff, vorzugsweise aus dem Kraftstoff-Luft-Gemisch.For example, in the low-temperature reaction of the fuel-air mixture from the particles and / or molecules of the fuel in the fuel-air mixture, particularly reactive radicals are formed, e.g. by splitting (cracking) the molecules of the fuel. In particular, in the high-temperature reaction of the fuel-air mixture, the chemical conversion of the aforementioned radicals takes place, for example with oxygen, preferably from the fuel-air mixture.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Cetanzahl des Pilotkraftstoffs größer als die Cetanzahl des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Beispielsweise liegt die Cetanzahl des Pilotkraftstoffes in Bereich von 30 bis 100. Die Cetanzahl ist insbesondere ein Maß für die Zündwilligkeit eines Stoffes.According to one development, the cetane number of the pilot fuel is greater than the cetane number of the fuel-air mixture. For example, the cetane number of the pilot fuel is in the range from 30 to 100. The cetane number is, in particular, a measure of the ignitability of a substance.
Der Kraftstoff des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist oder umfasst insbesondere ein Gas. Beispielsweise ist oder umfasst Kraftstoff des Kraftstoff-Luft-Gemisches Methan und/oder Erdgas und/oder Propan. Bevorzugt ist oder umfasst der Pilotkraftstoff ein Öl. Beispielsweise ist oder umfasst der Pilotkraftstoff z.B. Dieselkraftstoff und/oder Pflanzenöl und/oder Heizöl.The fuel of the fuel-air mixture is or comprises, in particular, a gas. For example, fuel of the fuel-air mixture is or comprises methane and / or natural gas and / or propane. The pilot fuel is preferably or comprises an oil. For example, the pilot fuel is or includes, for example, diesel fuel and / or vegetable oil and / or heating oil.
Die wirkungsgradoptimale Kolbenstellung für die Gleichraumverbrennung ist je nach Motorgröße und Schubstangen-Verhältnis insbesondere 3 Grad bis 10 Grad Kurbelwellenwinkel (
Die Steuerung des Verbrennungsschwerpunktes des zuvor eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches in die wirkungsgradoptimale Kolbenstellung erfolgt insbesondere durch die Niedertemperaturreaktion („cool flame“) der Piloteinspritzung. Als Pilotkraftstoffe eignen sich z.B. Kraftstoffe mit einer Cetanzahl von 30 bis 100. Dieselkraftstoff setzt z.B. in der Niedertemperaturreaktion („cool flame“) 12% bis 14% seiner Energie frei. Je höher die Cetanzahl desto höher die Wärmefreigabe in der Niedertemperaturreaktion.The control of the center of combustion of the previously introduced fuel-air mixture in the piston position for optimum efficiency takes place in particular through the low-temperature reaction (“cool flame”) of the pilot injection. For example, fuels with a cetane number of 30 to 100 are suitable as pilot fuels. Diesel fuel, for example, releases 12% to 14% of its energy in the low-temperature reaction ("cool flame"). The higher the cetane number, the higher the heat release in the low-temperature reaction.
Die „cool flame“ der Piloteinspritzung hat bevorzugt die Aufgabe, den Duck und die Temperatur im Brennraum von mindesten 720 K auf 850 K bis 1000 K zu erhöhen, sodass eine Niedertemperaturreaktion des zuvor eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum initiiert wird. Die Niedertemperaturreaktion der Piloteinspritzung verhindert insbesondere eine Frühzündung des zuvor eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches, da bei der Niedertemperaturreaktion noch nicht die Temperatur für die Hochtemperaturreaktion erreicht wird.The “cool flame” of the pilot injection has the task of increasing the pressure and the temperature in the combustion chamber from at least 720 K to 850 K to 1000 K, so that a low-temperature reaction of the previously introduced fuel-air mixture is initiated in the combustion chamber. The low-temperature reaction of the pilot injection prevents, in particular, a premature ignition of the fuel-air mixture previously introduced, since the temperature for the high-temperature reaction is not yet reached in the low-temperature reaction.
Das Verdichtungsverhältnis und die Ansaugtemperatur der Luft und/oder des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird oder werden vorzugsweise so eingestellt, dass eine Verdichtungstemperatur von mindestens 720 K zwischen 12 Grad
Die maßgeblichen Steuerungsparameter der Hauptverbrennung („hot flame“) des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der wirkungsgradoptimalen Kolbenstellung sind insbesondere Zeitpunkt und/oder Menge der Niedertemperaturwärmefreisetzung von Piloteinspritzung und/oder Kraftstoff-Luft-Gemisch. Als sekundäre Steuerungsparameter kommen z.B. noch die Temperatur oder Ansaugtemperatur, insbesondere der Luft oder des Kraftstoff-Luft-Gemisches, und/oder das Verdichtungsverhältnis hinzu. Bei sehr mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen ist z.B. eine Anhebung der Ansaugtemperatur anzustreben.The relevant control parameters of the main combustion (“hot flame”) of the fuel-air mixture in the piston position with optimum efficiency are in particular the time and / or amount of the low-temperature heat release from the pilot injection and / or the fuel-air mixture. The temperature or intake temperature, in particular of the air or the fuel-air mixture, and / or the compression ratio, for example, are also added as secondary control parameters. In the case of very lean fuel-air mixtures, for example, an increase in the intake temperature should be aimed for.
Die Niedertemperaturreaktionen („cool flame“) der Piloteinspritzung und des Kraftstoff-Luft-Gemisches laufen bevorzugt kurz hintereinander und/oder teilweise parallel ab, sodass die Hauptverbrennung („hot flame“) der Piloteinspritzung und des Kraftstoff-Luft-Gemisches gleichzeitig in der wirkungsgradoptimalen Kolbenstellung stattfinden. Die Niedertemperaturreaktion („cool flame“) des Kraftstoff-Luft-Gemisches ist insbesondere Voraussetzung für eine gleichzeitige Zündung und/oder Verbrennung im gesamten Brennraum.The low-temperature reactions ("cool flame") of the pilot injection and the fuel-air mixture preferably take place in quick succession and / or partially in parallel, so that the main combustion ("hot flame") of the pilot injection and the fuel-air mixture are at the same time with optimum efficiency Piston position take place. The low-temperature reaction (“cool flame”) of the fuel-air mixture is particularly a prerequisite for simultaneous ignition and / or combustion in the entire combustion chamber.
Ein Unterschied zum bekannten Zündstrahlverfahren ist insbesondere die nicht erfolgte Niedertemperaturreaktion des Kraftstoff-Luft-Gemisches, da die Piloteinspritzung beim Zündstrahlverfahren kurz vor
Gemäß einer Ausgestaltung wird durch das Verfahren eine, vorzugsweise reale, thermodynamische Gleichraumverbrennung in der Hubkolbenmaschine gesteuert und/oder eingeleitet. Dabei sind insbesondere der Zeitpunkt und/oder die Menge der Niedertemperaturwärmefreisetzung („cool flame“) der Piloteinspritzung und/oder des Kraftstoff-Luft-Gemisches primäre Steuerungsparameter.According to one embodiment, the method controls and / or initiates, preferably real, thermodynamic constant-space combustion in the reciprocating piston engine. In particular, the point in time and / or the amount of low-temperature heat release (“cool flame”) of the pilot injection and / or of the fuel-air mixture are primary control parameters.
Gemäß einer Weiterbildung ist oder wird das oder ein Verdichtungsverhältnis und/oder die Temperatur oder Ansaugtemperatur der Luft und/oder des Kraftstoff-Luft-Gemisches so eingestellt, dass eine Verdichtungstemperatur von mindestens 720 K zwischen 12 Grad Kurbelwellenwinkel vor
Gemäß einer Ausgestaltung erhöht die Niedertemperaturreaktion („cool flame“) der Piloteinspritzung den Druck und/oder die Temperatur im Brennraum von mindestens 720 K auf 850 K bis 1000 K, sodass insbesondere die oder eine Niedertemperaturreaktion („cool flame“) des zuvor eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum initiiert wird.According to one embodiment, the low-temperature reaction (“cool flame”) of the pilot injection increases the pressure and / or the temperature in the combustion chamber from at least 720 K to 850 K to 1000 K, so that in particular the or a low-temperature reaction (“cool flame”) of the previously introduced fuel -Air mixture is initiated in the combustion chamber.
Gemäß einer Weiterbildung ist oder muss vor der Hochtemperaturreaktion („hot flame“), insbesondere des Pilotkraftstoffs und/oder des Kraftstoff-Luft-Gemisches, die Niedertemperaturreaktion („cool flame“) der Piloteinspritzung und des zuvor eingebrachten Kraftstoff-Luft-Gemisches abgeschlossen sein.According to one development, the low-temperature reaction (“cool flame”) of the pilot injection and the previously introduced fuel-air mixture is or must be completed before the high-temperature reaction (“hot flame”), in particular of the pilot fuel and / or the fuel-air mixture .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht einer Hubkolbenmaschine.
-
1 a schematic view of a reciprocating engine.
Aus
In den Brennraum
Die Verbrennung des Pilotkraftstoffs
Die Hochtemperaturreaktionen des Kraftstoff-Luft-Gemisches
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- HubkolbenmaschineReciprocating engine
- 22
- KurbelwellendrehachseCrankshaft rotation axis
- 33
- Kurbelwellecrankshaft
- 44th
- Zylindercylinder
- 55
- Kolbenpiston
- 66th
- PleuelConnecting rod
- 77th
- ZylinderkopfCylinder head
- 88th
- BrennraumCombustion chamber
- 99
- ReferenzlageReference position
- 1010
- Kraftstoff-Luft-GemischFuel-air mixture
- 1111
- Pilotkraftstoff Pilot fuel
- UTUT
- unterer Totpunktbottom dead center
- OTOT
- oberer TotpunktTop Dead Center
- KWKW
- KurbelwellenwinkelCrankshaft angle
- zz
- HubrichtungStroke direction
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Also Published As
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